FUERZA PARALELA AL DESPLAZAMIENTO

ENERGÍA

    En nuestro lenguaje y conocimiento diarios, frecuentemente hacemos uso o leemos la palabra energía:

- Para vivir necesitamos de la energía química proporcionada por los alimentos

- La energía térmica (calor), liberada en la combustión de la gasolina, posibilita el movimiento de los automóviles

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Una flecha, lanzada por medio de un arco, posee energía cinética (o de movimiento)

Un televisor utiliza energía eléctrica, transformándola en energía luminosa, energía sonora y energía térmica

La energía nuclear (o atómica) puede usarse tanto para beneficio del ser humano, como para su destrucción En los ejemplos anteriores es claro que la energía se presenta en la naturaleza bajo diversas formas: química, térmica, eléctrica, luminosa, nuclear, etc. Cualquiera de ellas aparece siempre por la transformación de una de esas clases de energía, en otra; esto es, la energía no puede aparecer, en un fenómeno, a partir de la nada. En particular yen el caso de la energía mecánica, que es aquélla en la que intervienen las fuerzas y el movimiento, la transformación de energía puede ser medida por una magnitud física denominada trabajo. Por este motivo, iniciamos este capítulo explicando tan importante concepto

TRABAJO: FUERZA PARALELA AL DESPLAZAMIENTO

Trabajo de una fuerza que es paralela al desplazamiento producido

Observa en la Figura  que una persona es halada por una fuerza F, que la desplaza una distancia d.

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Observa también que la fuerza F está actuando en la misma dirección y en el mismo sentido que el desplazamiento de la persona. Decimos que la fuerza realiza trabajo sobre la persona, definiéndose esta magnitud de la siguiente manera:

El trabajo W, realizado por la fuerza F (paralela al desplazamiento), se determina multiplicando el módulo de la fuerza por el valor del desplazamiento d. Es decir,

W =F • d

1. La unidad de trabajo. En el SI, que usaremos de preferencia, la fuerza se mide en Newton y la distancia en metros. La unidad de trabajo será entonces:

1N • 1m=1N•. m

Esta unidad se denomina Joule (símbolo: J), en homenaje al físico inglés James P. Joule , que vivió en el siglo XIX. Se tiene que 1N • m=1J

En la Figura, al hacer recorrer al cuerpo una distancia de 1 m, aplicándole una fuerza de 1 N, se realiza un trabajo de 1 J.

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1. El trabajo es una magnitud escalar, esto es, queda completamente definido sólo con el número que expresa su valor y con la unidad.

1. Una fuerza sólo realiza trabajo cuando ocurre desplazamiento del cuerpo sobre el cual actúa. Así, si una persona sostiene un objeto sin moverlo, la fuerza no está realizando trabajo sobre el cuerpo. Esto es evidente mediante la ecuación W = F • d, pues si d = 0, entonces W = 0. Por lo tanto, la persona "hace fuerza" sobre el objeto pero no realiza trabajo sobre él, porque no hay desplazamiento de dicha fuerza

A pesar de lo antes dicho, la persona se cansa porque hay un trabajo realizado sobre sus propios músculos (para sostener el objeto, las fibras musculares, existentes en abundancia, son tensionadas y relajadas de manera alternativa).

4. Cuando la fuerza F actúa sobre un cuerpo en el mismo sentido en que se mueve, favorece el movimiento del cuerpo (acelerándolo, y en consecuencia, haciendo que su velocidad aumente).

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En este caso se considera positivo el trabajo realizado por la fuerza (W > 0).

Cuando la fuerza F actúa en sentido contrario al movimiento del cuerpo, dicha fuerza dificulta este movimiento (lo desacelera o retarda, haciendo que la velocidad del cuerpo disminuya).

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   En este caso, el trabajo realizado por la fuerza se considera negativo (W < 0).

Una persona, por medio de una cuerda, levanta un cuerpo de peso P = 50 N, ejerciendo sobre él una fuerza F=70 N, vertical hacia arriba. El cuerpo es desplazado una distancia d = 6 m

a) ¿Cuál es el signo y el valor del trabajo, W, realizado por la persona?[pic 6]

Como la fuerza F ejercida tiene el mismo sentido del movimiento del cuerpo. su trabajo será positivo. Tenemos, entonces:

W=F• d= 70 • 6. Es decir, W= 420 J

1. ¿Cuál es el signo y el valor del trabajo W' realizado por el peso P del cuerpo?

Como la fuerza P tiene sentido contrario al movimiento del cuerpo, su trabajo será negativo.

Así, W =-P• d = -50  •6. Es decir, W = -300 J.

Observa que hay dos trabajos realizados sobre el cuerpo: uno de ellos, de 420 J (positivo), realizado por la persona, que favorece el movimiento; y otro (retardante) efectuado por la Tierra, que ejerce la fuerza P sobre el objeto. En otras palabras, cada causa o agente responde por el trabajo correspondiente a la fuerza que lo realiza.

1. ¿Cuál es el trabajo total efectuado sobre el cuerpo?

El trabajo total, Wt, se determina por la suma algebraica de los trabajos que cada fuerza realiza sobre el cuerpo. Esto es:

Wt =420-300, o sea Wt = 120 J.

POTENCIA

   Considera dos motores que se emplean para accionar bombas de agua destinadas a llenar dos tanques, realizando ambas el mismo trabajo W = 20 000 J. Supóngase, sin embargo, que el primer motor llena el tanque en un tiempo t1 = 200 s, y que el otro emplea un tiempo t2 = 400 s para realizar el mismo trabajo. En la vida práctica, si tuviéramos que escoger entre los dos motores, probablemente daríamos preferencia al primero, que realiza el trabajo más rápidamente.[pic 7]

   En física, para medir esta capacidad de realizar el trabajo con cierta rapidez, se define una magnitud denominada potencia, de la siguiente manera:

Siendo W el trabajo realizado durante un tiempo t, la potencia desarrollada, que simbolizaremos por Pot, para no confundir con el símbolo del peso P, está dada por:

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Una persona que sube por una escalera corriendo hasta un cierto piso (en poco tiempo), desarrolla mayor potencia que otra que sube por la misma escalera lentamente hasta el mismo piso (emplea mayor tiempo)

En el ejemplo citado, los motores tendrían las potencias siguientes:

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   Observa que el primer motor posee una potencia mayor que el segundo. La potencia indica, pues, de manera directa, cuál de los motores realiza el trabajo más rápidamente. Los resultados indican, así, que el primero puede realizar 100 J de trabajo en cada segundo, y que el otro motor realiza sólo 50 J en cada segundo.

  Cuando se calcularon las potencias de los motores mencionados anteriormente, vimos que la potencia queda expresada en el SI, por la unidad 1 J/s. Esta unidad recibe la denominación de Watt (símbolo: W) , en homenaje a James Watt, inventor de la máquina de vapor más perfeccionada. Esto es:

1 J/s = 1 watt = 1 W

Por lo tanto, las potencias de los motores del ejemplo anterior son Pot = 100 W y Pot = 50 W.

Un múltiplo del Watt, muy empleado en la práctica, y del cual probablemente ya oíste hablar, es el kilowatt (símbolo: KW). El prefijo Kilo indica un múltiplo de la unidad 1000 veces mayor. Luego

1 KW= 1000 W= 103 W

EJERCICIOS

Para evaluar tu comprensión

1. Una persona empuja un automóvil, desarrollando un gran esfuerzo, pero el auto no se mueve .[pic 11]

¿Qué trabajo se realiza sobre el vehículo? Explica.

1. La Figura muestra una fuerza F actuando sobre un cuerpo en movimiento, en dos situaciones diferentes. Observando la figura, procura concluir si el trabajo de la fuerza F es positivo o negativo:[pic 12][pic 13]

3.- Una persona empuja una caja, que se desplaza sobre una superficie horizontal en la que hay rozamiento o fricción.

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